Мощные импульсные плазмотроны и высокоскоростные электроразрядные ускорители масс на их основе Коликов Виктор Андреевич

Содержание к диссертации

стр.

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ 6

ВВЕДЕНИЕ 8

ГЛАВА 1. МЕТОДЫ СВЕРХСКОРОСТНОГО МЕТАНИЯ ТЕЛ 17

1. Многоступенчатые поршневые легкогазовые пушки 20

2. Электродинамические контактные установки (рельсотроны) 25

3. Электромагнитные индукционные ускорители 29

4. Электроразрядные газодинамические установки 31

5. Электротермохимические пушки 36

6. Комбинированные установки 37

7. Газодинамические одноступенчатые установки 44

8. Абляционный и иные методы ускорения 47

Выводы 49

ГЛАВА 2. ГЕНЕРАТОРЫ ПЛАЗМЫ И ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНЫЕ

КАМЕРЫ 51

2.1. Типы электроразрядных камер 51

9. Разрядные камеры с соосными стержневыми электродами 54

10. Разрядные камеры с коаксиальными электродами 57

11. Разрядные камеры со стержневым и коаксиальным электродами 60

12. Коаксиальные разрядные камеры 62

2.2. Генераторы плазмы и разрядные камеры ускорителей ИЭЭ РАН 65

13. Конструкции генераторов плазмы 65

14. Конструкции разрядных камер ускорителей 70

2.3. Основные элементы разрядных камер 76

2.3.1. Электроды и электродные материалы 77

2.3.1.1. Эрозия электродных материалов 83

2.3.2.Токовводы и их изоляция 89

2.3.3. Диафрагмы 93

Выводы 95

ГЛАВА 3. БАЛЛИСТИЧЕСКИЕ СТЕНДЫ ИЭЭ РАН 97

3.1. Устройство и оснащение стендов 98

15. Баллистическая трасса и ее составные части 98

16. Источники питания ускорителей 104

17. Конденсаторная батарея ИПУ-10 103

18. Зарядное устройство 107

19. Разрядное устройство 108

20. Система сильноточной коммутации 109

21. Система управления стендом 111

3.1.3. Измерительная аппаратура стендов и методы измерения 112

22. Измерение начальных параметров 112

23. Измерение импульсных токов 114

24. Измерение падения напряжения на дуге 116

25. Измерение импульсного давления 118

26. Измерение скорости метаемых тел 119

27. Фоторегистрация полета и взаимодействия метаемых тел

с преградами 121

7. Определение времени раскрытия диафрагмы 122

8. Система обработки и регистрации экспериментальных данных... 123 Выводы 124

ГЛАВА 4. ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНЫЕ ЛЕГКОГАЗОВЫЕ

УСКОРИТЕЛИ ИЭЭ РАН 126

1. Определение параметров электроразрядных ускорителей 126

2. Одноступенчатые электроразрядные ускорители 129

3. Ускорители УСРТ и УСРТ-М 130

4. Макетный ускоритель 134

5. Ускоритель ГСУМ-7 138

6. Ускоритель со сменной разрядной камерой 141

7. 57-мм ускоритель 145

4.3. Характеристики процесса ускорения 147

4.3.1. Скорость метания тел и влияющие на нее факторы 147

8. Программируемый ввод энергии в дугу 153

9. Скоростные характеристики ускорителя при работе

на водороде и азоте 159

2. Коэффициенты перевода энергии и к.п.д. ускорителя 160

3. Моделирование процессов и энергетический баланс ускорителя 169

4. Оценка параметров ускорителей 175

Выводы 177

ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ В РАЗРЯДНЫХ

КАМЕРАХ УСКОРИТЕЛЕЙ 179

5.1. Характеристики разрядной цепи и параметры дуги 180

5.1.1. Параметры конденсаторной батареи и разрядной цепи

источника питания ИПУ-10 181

5. Сопротивление дуги 183

6. Напряженность электрического поля и плотность тока в дуге 190

7. Индуктивность дуги 193

8. Температура дуги 195

5.2. Режимы горения дуги в коаксиальной разрядной камере 200

1. Режимы горения дуги с тугоплавкими электродами 201

2. Режимы горения дуги с легкоплавкими электродами 208

3. Многоимпульсный режим 209

4. Двухдуговой режим 212

5. Программируемый разряд батареи 214

5.3. Процессы и теплообмен в разрядной камере 217

6. Процесс горения дуги в коаксиальной разрядной камере 217

7. Динамика движения дуги 226

5.4. Теплоперенос от дуги к газу 231

8. Теплоперенос излучением 231

9. Теплопроводность 233

10. Турбулентный теплоперенос 235

»

4. Теплоперенос ударными волнами 236

5. Энергия запасенная в дуге 237

Выводы 238

ГЛАВА 6. ПРИМЕНЕНИЕ УСКОРИТЕЛЕЙ И РАЗРЯДНЫХ КАМЕР...240

1. Сравнительные оценки основных методов ускорения 240

2. Метаемые тела 242

3. Ускорение метаемых тел в стволе 247

4. Взаимодействие метаемых тел с преградами 250

5. Применение разрядных камер для деструкции токсичных веществ 254

Выводы 257

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 259

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 262

6 ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ

v - скорость, длина волны электромагнитного излучения; а - скорость звука в газе; к - показатель адиабаты; п - показатель политропы, концентрация; т — масса;

V_K- объем разрядной камеры; ju - атомная или молекулярная масса; R*- универсальная газовая постоянная; L - индуктивность; t - время;

Г-температура, период колебаний; Р- давление; U- напряжение; /-ток;

R - сопротивление; Q — электрический заряд; С - электрическая емкость; с - теплоемкость; F-сила;

р - плотность, удельное сопротивление; со - круговая частота; S - коэффициент затухания; у - удельная электрическая проводимость; W - энергия;

а- электрическая проводимость; j - плотность тока; Ь_мэ - межэлектродное расстояние; Е - напряженность электрического поля;

к - показатель адиабаты, постоянная Больцмана;

а,— степень ионизации;

е - заряд электрона;

Z- волновое сопротивление, атомный номер;

ЭЛУМ - электроразрядный легкогазовый ускоритель масс;

КВГС - кислородно-водородно-гелиевая смесь;

ВВ - взрывчатое вещество;

AEDC - Арнольдский центр развития машиностроения (Arnold Engineering

Development Center);

Введение к работе

Актуальность темы. К середине XX века по мере развития некоторых научных направлений и появления новых отраслей техники все чаще стала возникать потребность в проведении экспериментальных работ по ускорению тел различных масс и форм до сверхвысоких скоростей. Именно к этому времени специалисты, занятые в такой бурно развивающейся области как ракетная техника, столкнулись с фактом отсутствия надежных экспериментальных данных по движению тел в различных газовых средах и их взаимодействию с другими телами при скоростях несколько километров в секунду, необходимых для создания новых гиперзвуковых аппаратов.

Частично, тогда эта проблема решалась с помощью специальных боеприпасов - кумулятивных зарядов, которые разгоняли тела массой 2-КЗ г до скорости 7000 м/с [1]. Однако ряд специфических черт, присущих этим устройствам, а именно - ограниченная упомянутой величиной масса ускоряемых тел и неопределенная ориентация их и их вектора скорости в пространстве, сделал невозможным применение этого метода при решении таких задач, как моделирование соударения крупных метеоритных частиц с космическими аппаратами, воспроизведение условий вхождения спускаемых космических аппаратов в атмосферы планет Солнечной системы, отработка формы этих аппаратов и т.д.

Невозможность использования для выполнения этих работ пороховых пушек связана с непреодолимым ограничением по скорости выстреливания, которая для данных устройств, как правило, составляет -1800 м/с и лишь на уникальных установках превышает эту величину [2]. Это ограничение обусловлено физико-химическими свойствами пороховых газов, а именно - их большой молекулярной массой ~ 28, и как следствие, низкой скоростью распространения звука, которая определяет скорость передачи энергии в рабочем газе и скорость выстреливания.

Потребность в альтернативных, в большей степени отвечающих современным требованиям методах ускорения макротел до сверхвысоких скоростей стала причиной возникновения нового направления в экспериментальной физике, основывающегося на таких отраслях знаний как: электро, аэро и газодинамика; физическая химия; физика плазмы, твердого тела и полупроводников, а также на многих других научных дисциплинах и промышленных технологиях. По мере расширения работ в рамках данного направления сформировались, как вполне самостоятельные, некоторые его составляющие, представленные различными типами метательных устройств, такими как: двухступенчатые легкогазовые [3]; электроразрядные [4]; электротермохимические [5]; электродинамические (рельсотроны) [6]; индукционные [7]; комбинированные [8] и т.д.

Анализ работ, выполненных нами на момент принятия решения о начале исследований в области высокоскоростного метания с использованием электроразрядных легкогазовых ускорителей масс (ЭЛУМ) и сопоставление его с имеющимися научными результатами по созданию в нашем институте высокоэффективных импульсных генераторов плотной низкотемпературной водородной плазмы показал, что существует огромный разрыв между потенциальными возможностями метода и уровнем его практической реализации.

Таким образом, актуальность темы диссертации обусловлена, во-первых, потребностью в высокоскоростных ускорителях тел для решения, как ряда фундаментальных научных, так и прикладных проблем, и, во-вторых, недостаточной глубиной, выполненных на тот момент времени исследований физических основ метода ускорения тел с помощью электроразрядных легкогазовых ускорителей.

Цели работы и задачи исследований. Основной целью диссертационной работы является создание высокоэффективных надежных высокоскоростных электроразрядных легкогазовых ускорителей тел на основе импульсных плазмотронов.

Для достижения поставленной цели проведены исследования процессов, происходящих: в разрядных камерах ускорителей; при ускорении метаемых тел и их движении в баллистической трассе; при высокоскоростном взаимодействии метаемых тел с различными преградами.

При выполнении работ по данным направлениям исследований были решены следующие задачи: созданы два универсальных экспериментальных стенда, оснащенные программируемыми емкостными источниками питания напряжением 10 и 25 кВ, с запасаемой энергией 6 и 19 МДж соответственно, служащие для исследования импульсных дуг, горящих в водороде при величине тока до 2 МА, скорости его нарастания до 1,5хЮ¹⁰ А/с, начальном давлении до 42 МПа и импульсном давлении до 620 МПа, а также для проведения баллистических исследований; создан ряд высокоэффективных и надежных ускорителей тел калибром от 16 до 57 мм, предназначенных для проведения комплекса баллистических исследований при скоростях до ~6 км/с и массе ускоряемых тел от 3 до 300 г; создана компьютеризированная система измерения, регистрации, накопления, хранения и обработки экспериментальных данных, оснащенная всей необходимой диагностической аппаратурой, в том числе, высокоскоростными съемочными камерами и спектрографами.

Работы по теме проводились на основании: планов РАН, контракта № 40.006.11.1130 от 01.06.2002 с Министерством промышленности, науки и технологий; проектов РФФИ №№ 96-02-16590, 02-02-16770 и 04-02-17527.

Новизна основных научных результатов:

1. В результате проведенных работ получены следующие новые научные результаты: определена эффективность передачи электрической энергии из источника питания в кинетическую энергию метаемого тела при начальном давлении водорода 42 МПа, токе 2 МА и уровне передаваемой энергии 2 МДж, которая составляет около 20 % при скорости метания тел 2 км/с и 5 % при скорости 6 км/с; определены электрические, теплофизические и динамические параметры импульсных дуг, горящих в водороде, при величине разрядного тока до 2 МА и начальном давлении водорода до 42 МПа; получены данные по удельной эрозии материалов, используемых в электродных системах, при величине разрядного тока до 1,4 МА, среднемассовой температуре газа до 4500 К и зарядах до 900 Кл; определены граничные условия возникновения основных режимов горения дуг в разрядных камерах плазмотронов "коаксиального" типа; установлено, что скорость распространения ударных волн в холодном водороде составляет около 2,5 км/с, а в нагретом 3^-4 км/с и, что доля, передаваемой с помощью ударных волн энергии, от дуги к рабочему газу составляет около 16 %; определена количественная зависимость скорости метания и эффективности процесса ускорения тел от параметров рабочего газа и длительности импульса тока; получены сравнительные характеристики процесса ускорения тел при использовании в качестве рабочих газов водорода и азота.

2. В результате проведенных работ разработаны и созданы: - три импульсных плазмотрона для работы на водороде при начальном давлении до 42 МПа, уровне электрической энергии, вложенной в дугу, до 2 МДж, токе до 2 МА, импульсном давлении до 520 МПа и температуре до 4500 К. Установлено, что оптимальным при данных условиях является импульсный плазмотрон с "коаксиальной" разрядной камерой; пять ускорителей калибром от 16 до 57 мм, предназначенных для проведения баллистических исследований, и определения влияния параметров сильноточных дуг и рабочего газа на их баллистические характеристики; диагностическая камера для моделирования и исследования процессов, происходящих в разрядных камерах ускорителей, при разгоне метаемых тел; сменная разрядная камера ускорителя, включающая в себя электродную систему, генератор водорода и метаемое тело.

3. Экспериментально доказана возможность создания надежных, высокоэффективных, работающих на водороде, электроразрядных легкогазовых ускорителей тел, обеспечивающих скорость метания до 6 км/с тел массой около 14 г.

Практическая ценность.

Практическая ценность диссертационной работы состоит в том, что ее результаты позволили создать

Серию одноступенчатых электроразрядных легкогазовых ускорителей калибром от 12,7 до 57 мм;

Три комбинированных установки на базе электроразрядного ускорителя и рельсотрона, электроразрядного ускорителя и мультипликатора, ступени адиабатического сжатия водорода и электроразрядного ускорителя.

Импульсный плазмотрон одноразового действия, предназначенный для работы в качестве сменной электроразрядной камеры ускорителя и обеспечивающий высокую степень воспроизводимости параметров процесса ускорения, высокую частоту повторения рабочих циклов и большой ресурс работы ускорителя.

Полученные автором результаты могут быть использованы при: - проведении исследований сильноточных импульсных дуг, горящих в газах со сверхвысокой (>3*10²² см'³ нормальных атомов) начальной концентрацией; создании сверхмощных надежных и высокоэффективных импульсных плазмотронов и высокоскоростных электроразрядных легкогазовых ускорителей тел на их основе, работающих при уровне энерговклада >2 МДж; проведении исследований по высокоскоростному метанию тел сложной конструкции и их взаимодействию с преградами; разработке технологических процессов с применением плотной газовой плазмы.

Личный вклад автора. - принято участие в разработке созданных в ИЭЭ РАН мощных импульсных плазмотронов, работающих на водороде, и в исследованиях процессов, происходящих в их разрядных камерах. Обоснована возможность использования импульсных плазмотронов для создания высокоскоростных электроразрядных ускорителей тел; - сформулированы технические требования, разработана документация и принято участие в создании стенда высокоскоростного метания тел и источника питания конденсаторного типа ИПУ-10; проведены оценочные расчеты основных характеристик и разработаны конструкции ряда одноступенчатых электроразрядных ускорителей и комбинированных ускорительных систем на их основе и исследованы их характеристики; разработаны и исследованы более 30 вариантов разрядных камер ускорителей; разработаны и использованы при проведении исследований аппаратные средства измерения основных электрических и баллистических характеристик ускорителей при работе в условиях мощных полей рассеяния; принято участие в исследовании сильноточных импульсных дуг, горящих в водороде при начальном давлении до 42 МПа и баллистических характеристик высокоскоростных электроразрядных легкогазовых ускорителей тел при скоростях метания тел до 6 км/с; - на основании более 200 проведенных экспериментов создана компьютерная база экспериментальных данных, служащая для классификации, обработки и построения зависимостей более чем по 200 параметрам.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на следующих конференциях и симпозиумах:

Третья Всесоюзная конференция "Импульсные источники энергии", 20-22 июня, 1989, Ленинград.

Пятая международная конференция по генерации мегагауссных полей и родственным экспериментам (MG-V), 1989, Новосибирск.

21^st International Electric Propulsion Conference, July 18-20, 1990, Orlando, Florida, USA.

22^nd International Electric Propulsion Conference, Viareggi, Italy, 1991.

6 International Conference on Megagauss Magnetic Field Generation and Related Topics, November 8-11, 1992, Albuquerque, New Mexico, USA.

4 European Symposium on Electromagnetic Launch Technology, May 02-06, 1993, Celle, Germany.

9^th IEEE International Pulsed Power Conference, June 21-23, 1993, Albuquerque, New Mexico, USA.

7^th Symposium on Electromagnetic Launch Technology, April 20-24, Hypervelocity Impact Symposium, 17-19 October, 1994, Santa Fe, NM, USA.

5^th European Symposium on Electromagnetic Launch Technology, April 10-14, 1995, Toulouse, France. Conference of the American Physical Society Topical Group on Shock Compression of Condensed Matter, August 13-18, 1995, Seattle, Washington, USA.

8 Symposium on Electromagnetic Launch Technology, April 21-24, 1996, Baltimore, Maryland, USA.

23^rd IEEE International Conference on Plasma Science, June 3-5, 1996, Boston, Massachusetts, USA.

27^th AIAA Plasmadynamics and Laser Conference, June 18-20, 1996, New Orleans, LA, USA.

4^th European Conference on Thermal Plasma Processes, July 15-18, 1996, Athens, Greece.

8^th International Conference on Switching Arc Phenomena, 3-6 September, 1996, Lodz, Poland.

16^th International Ballistics Symposium and Exhibition, 23-27 September, 1996, San-Francisco, С A, USA.

5^th European Conference on Thermal Plasma Processes, 13-16 July, 1998, Saint Petersburg, Russia.

12^th International Pulsed Power Conference, 27-30 June, 1999, Monterey, CA, USA.

10^th Symposium on Electromagnetic Launch Technology, 25-28 April, 2000, San Francisco, CA, USA.

28 International conference on plasma science and 13th Pulsed Power Plasma Science, 17-22 June, 2001, Las Vegas, Nevada, USA.

3^rd Conference on magnetic and plasma air dynamics, 2001, Moscow, Russia.

11 Symposium on Electromagnetic Launch Technology, 14-17 May, 2002, Saint-Louis, France. European Materials Research Society Spring Meeting, 2002, Strasbourg, France. XVII Международная конференция "Уравнения состояния вещества", 2002, Эльбрус. XVIII Международная конференция "Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество", 1-6 марта, 2003, Эльбрус.

IV International Conference Plasma Physics and Plasma Technology, 15-19 September, 2003, Minsk, Belarus.

12^th International Congress on Plasma Physics, 25-29 October, 2004, Nice, France.

15^th IEEE International Pulsed Power Conference, 13-17 June, 2005, Monterey, CA, USA.

Публикации. По тематике электроразрядного легкогазового ускорения автором опубликовано 74 работы, в том числе 65 статей в рецензируемых журналах, получено 1 авторское свидетельство об изобретении.

Структура и содержание работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав с выводами по каждой из них, заключения и списка литературы. Диссертация изложена на 291 странице машинописного текста, включает 127 рисунков, 3 таблицы и список литературы из 279 наименований.

Похожие диссертации на Мощные импульсные плазмотроны и высокоскоростные электроразрядные ускорители масс на их основе

Исследование электроразрядных ускорителей масс, работающих на водородеБудин, Александр Васильевич

Разработка высокочувствителной системы на основе масс-рефлектрона для анализа нейтральной компоненты и потока ионовГусев, Аркадий Яковлевич

Времяпролетная масс-спектрометрия биополимеров на основе планарных многоотражательных анализаторовВеренчиков Анатолий Николаевич

Предсказания масс в рамках МССМ на основе инфракрасных квазификсированных точекЮрчишин Мариан

Идентификация следовых количеств органических соединений на основе спектрометрии ионной подвижности и времяпролетной масс-спектрометрииЧернышев Денис Михайлович

Разработка научных основ и методов разделения изотопов элементов легких и средних массУстинов, Александр Леонидович

Фокусирующие системы на основе цилиндрических электродов для формирования пучков на входе в энерго-и масс-анализаторыУльянова, Нина Сергеевна

Совершенствование технологии процесса формирования пекоуглеродных масс на основе регулирования размеров и качества межфазного слояВергазова, Галина Дмитриевна

Разработка процесса и устройства для смешивания и формования помадной массы на основе порошкообразного сахаро-паточного полуфабриката Журавлев Алексей Александрович

Исследование особенностей формирования пенообразных масс на основе творожной сыворотки и обезжиренного молока Генералов Денис Сергеевич